砌筑水泥放射性核素限量测量不确定度分析

谢正奋（1.广东省梅州市质量计量监督检测所，广东 梅州 514072；2.国家水泥及制品质量监督检验中心（广东），广东 梅州 514072）

0 引言

《通用硅酸盐水泥》国家标准第3号修改单（GB 175-2007/XG3-2018）于2019年10月1日正式实施，其中一个重要修改为条款6.4条更改：“6.4复合硅酸盐水泥的强度等级分为42.5、42.5R、52.5、52.5R四个等级”。这意味着在《通用硅酸盐水泥》国家标准第2号修改单（GB 175-2007/XG2-2015）取消复合硅酸盐水泥32.5强度等级的基础上，进一步取消复合硅酸盐水泥32.5R强度等级。至此，复合硅酸盐水泥32.5级别全部告别舞台，过去由于P·C 32.5多应用于砌筑及农村市场等非主体结构工程，主要是这些工程及部位对水泥早期强度要求不高，更强调如保水等性能，故生产厂家在满足技术参数的情况下，可以提高一些矿物掺合料比例，进一步降低价格，在市场上，相对有竞争力且用量较大。随着P·C 32.5的取消，留下巨大的空间，除了由保留32.5等级水泥的PS（矿渣）、PP（火山灰）、PF（粉煤灰）系列品种来填补外，砌筑水泥M 32.5作为“替代品”的声音也越来越大，砌筑水泥的产量也确实越来越高。但GB/T 3183—2017《砌筑水泥》标准中并没有对M 32.5水泥中的熟料占比作规定(P·C 32.5等级要求熟料+石膏≥50%)，且混合材种类比起P·C 32.5要求的基础上，进一步放宽，增加了粒化电炉磷渣与粒化钛矿渣，有可能导致放射性核素限量增高现象，且GB 6566—2010《建筑材料放射性核素限量》[1]标准中规定，当样品中镭-226、钍-232和钾-40放射性比活度之和＞37 Bq/kg时，要求测量不确定度(扩展因子k=1)≤20%。故有必要对砌筑水泥的放射性核素限量测量进行不确定度研究，以提升检测的准确率。

1 测量依据与仪器

测量依据：GB 6566—2010《建筑材料放射性核素限量》。

评定依据：JJF 1059.1—2012《测量不确定度评定与表示》。

主要仪器：低本底多道γ能谱仪（型号为FYFS-2002F，制造商为湖北方圆）；YP20002电子天平（量程1000g，精确度0.01g）

试验环境：温度控制在（21±2）℃，相对湿度控制在（50～60）%。

测量方法：按GB 6566—2010规定，将砌筑水泥磨细至粒径≤0.16mm，然后将水泥样品装入与标准源几何尺寸一致的样品盒中（Φ75mm×70mm，空样品盒提前称重），直至装满样品盒，密封，称重，并记录重量，计算出净重（本次试验净重280.0g），待测，静置7 d，使得砌筑水泥检验样品中天然放射性衰变链基本达到平衡后，在与标准源测量条件相同情况下，采用低本底多道γ能谱仪对其进行镭-226、钍-232和钾-40比活度测量，样品测试时间为7 200 s。

2 数学模型

根据标准GB 6566—2010，内照射指数（IRa）、外照射指数（Ir）计算公式分别如下：

公式中，IRa为内照射指数；Iγ为外照射指数；CRa、CTh、CK分别为砌筑水泥中天然放射性核素镭-226、钍-232和钾-40的放射性比活度(单位：Bq/kg)；200为仅考虑内照射情况下，GB 6566—2010标准中规定的砌筑水泥中放射性核素镭-226的放射性比活度限量(单位：Bq/kg)；370、260、4200分别为仅考虑外照射情况下，GB 6566—2010标准中规定的砌筑水泥中天然放射性核素镭-226、钍-232和钾-40在其各自单独存在时的限量（单位：Bq/kg）。

3 测量不确定度的来源

3.1 A类不确定度

主要是测量重复性引入的相对不确定度，取同一批次的砌筑水泥M 32.5等级样品2kg，均匀混合后，装入已称量过的空样品盒中至满盒，称重并计算出净重（280.0g），静置至满足测试条件后，测试其放射性，重复测试10次，并分别记录结果，主要的检测参数CRa、CTh、CK、IRa、Ir的结果见表1。

表1 重复测量10次砌筑水泥试样放射性结果

3.1.1CRa的相对不确定度uARa

3.2 B类不确定度

B类不确定度主要由低本底多道γ能谱仪检测设备、镭-226、钍-232和钾-40标准源、电子天平称量设备、实验室环境、样品静置时间，样品的测试时间等因素引入的相对不确定度，这些因素所引起的不确定度之间是互为独立的。

3.2.1 由低本底多道γ能谱仪引入的相对不确定度urb1

根据湖北省计量测试技术研究院出具的校准证书（证书号：2021YD03960197）显示，活度示值误差的相对扩展不确定度Urel=10%，k=2，则低本底多道γ能谱仪引入的相对不确定度urb1=10%/2=5%。

3.2.2 由电子天平称量设备引入的相对不确定度urb2

采用的电子天平为YP20002型，由广东省梅州市质量计量监督检测所检定证书可知，天平最大示值误差的测量结果扩展不确定度：U=0.03g，k=2，则区间半宽度a=U=0.03g，试验称取砌筑水泥净重为280.0g，由电子天平称量的标准不确定度ub2=0.03/2=0.015g，故电子天平称量设备引入的相对不确定度urb2=0.015/280=0.01%。

3.2.3 分别由镭-226、钍-232和钾-40标准源引入的相对不确定度urb3、urb4、urb5

根据送检国防科技工业电离辐射一级计量站提供的校准证书（证书号：JZ-A21-200824A201）显示：

（1）镭-226的相对扩展不确定度Ura=4.4%，k=2，由此可得出镭-226标准源引入的相对不确定度urb3=Ura/k=4.4%/2=2.2%

（2）钍-232的相对扩展不确定度UTh=4.8%，k=2，由此可得出钍-232标准源引入的相对不确定度urb4=UTh/k=4.8%/2=2.4%

（3）钾-40的相对扩展不确定度Uk=4.6%，k=2，由此可得出钾-40标准源引入的相对不确定度urb5=Uk/k=4.6%/2=2.3%

3.2.4 由实验室环境引入的相对不确定度urb6

检测实验室配置了空调调节，除了温度控制，尤其注重除湿，温度控制在（21±2）℃，相对湿度控制在50%～60%，以保证低本底多道γ能谱仪正常稳定工作，但仍难以测量其准确度，采取与苏灿洪[3]等人的经验估值法一致，取urb6=1%。

3.2.5 由样品的静置时间引入的相对不确定度urb7

标准GB 6566—2010《建筑材料放射性核素限量》中，只规定检验样品静置至天然放射性衰变链基本达到平衡后才测试放射性核素限量，没有注明静置时间为多长，因不同的材料，天然放射性衰变链平衡时间不一致，有些材料静置时间太短，则天然放射性衰变链未达到平衡，进而带来测量偏差影响较大，对砌筑水泥的静置时间研究暂未查找到相关文献，昌文芳等[4]等研究了52份砖类样品静置时间对放射性的影响，结果显示，静置5d基本稳定，对内、外照射指数基本没有影响，结合对砌筑水泥日常大量放射性测试的经验，选择保守的静置时间7d，天然放射性衰变链基本达到平衡，因此静置时间引入的相对不确定度影响较小，取urb7=0.5%

3.2.6 由样品的测试时间引入的相对不确定度urb8

标准GB 6566—2010《建筑材料放射性核素限量》中，并未对样品的测试时间作规定，本试验采用NaI探测器效率较为优越，在本底一定的情况下，样品放射性较强，测试时间应选择短一些；样品放射性较弱，则测试时间适当延长，巫红萍[5]研究了陶瓷砖放射性测试时间对结果的影响，表明测试3600s后，继续延长时间，对结果影响很小，其测得的内、外照射指数为：0.33、0.53，本试验测试的砌筑水泥放射性水平较其测量的低不少，结合经验，对砌筑水泥样品采用7200s作为测试时间，测试结果稳定性好，因此测试时间引入的不确定度影响较小，选取urb8=1%。

4 合成标准不确定度

各因素构成的不确定度（分析结果汇总见表2）彼此独立，无相关关系，由此可得出内照射指数与不确定度因素1、4～11相关，故内照射指数的合成标准不确定度见式（1），外照射指数与不确定度因素1～11相关，外照射指数的合成标准不确定度见式（2）。

表2 各因素构成的不确定度分析结果

5 扩展不确定度

GB 6566—2010中要求当样品中镭-226、钍-232和钾-40放射性比活度之和d＞37 Bq/kg时，要求测量不确定度(扩展因子k=1)≤20%，故取扩展因子k=1，则扩展不确定度为:

内照射指数U（Ira）=uc(Ira)×k=6.53%×1=6.53%；

外照射指数U（Iγ）=uc(Ira)×k=6.89%×1=6.89%。

6 结论

（1）砌筑水泥的镭-226、钍-232和钾-40放射性比活度之和＞37 Bq/kg时，内、外照射指数的测量不确定度(扩展因子k=1)分别为6.53%和6.89%，均满足GB 6566—2010中≤20%的要求。

（2）砌筑水泥放射性的静置时间选择7d，测试时间为7200s时，较好平衡稳定性与日常检测效率。